Tecnologia di produzione per batterie solide

Elettrodo solido multicapa in ceramica per i primi test funzionali. © Fraunhofer IPA/Foto: Inga Landwehr

Al centro di Ricerca per la Produzione di Celle Batteriche Digitalizzate presso il Fraunhofer IPA, insieme alle aziende medie Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH e Dr. Fritsch GmbH & Co KG, viene sviluppata la tecnologia di processo per le batterie solide del futuro. La regione Baden-Württemberg finanzia il progetto di ricerca con oltre un milione di euro.

»Le batterie a stato solido hanno il potenziale di sostituire le tecnologie batteriche attuali«, è convinto Carsten Glanz. Il responsabile del gruppo per la tecnologia applicativa di materiali funzionali presso l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA vuole, insieme a un team di scienziati e due aziende medie di Baden-Württemberg, creare le condizioni per la produzione automatizzata di accumulatori di alta qualità.

Rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, le batterie a stato solido offrono diversi vantaggi: una maggiore sicurezza – poiché non è richiesto un elettrolita liquido, niente può fuoriuscire o infiammarsi. A ciò si aggiungono una maggiore densità energetica e una durata più lunga.

La tecnologia è ancora in fase embrionale. »Le batterie a stato solido con uno strato di elettrolita in ceramica, ad esempio, sono state finora prodotte solo su scala di laboratorio. La scalabilità – cioè la trasposizione dei risultati a una produzione su larga scala – è ancora del tutto incerta«, spiega Glanz.

Nel progetto »Ricerca di nuove tecnologie di miscelazione e sinterizzazione per elettroliti ceramici a gradiente«, abbreviato EMSig, l'ingegnere intende ora, insieme a due partner industriali, sviluppare e ottimizzare una catena di processo per la produzione su larga scala di batterie con elettroliti ceramici: »Abbiamo molta esperienza presso l'IPA con l'automazione nella produzione di batterie, grazie al Centro per la Produzione di Celle Batteriche Digitalizzate, e i nostri partner dispongono di un know-how approfondito sulla produzione, funzionalizzazione, manipolazione e sinterizzazione di polveri.«

»Dr. Fritsch GmbH & Co KG fornirà e modificherà la polvere di partenza ceramica, necessaria per la produzione di elettroliti ceramici«, informa Ute Wilkinson, amministratrice delegata di Dr. Fritsch. »Abbiamo le competenze per produrre e analizzare materiali su misura.« Il secondo partner è la Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, un produttore leader internazionale di macchine per la miscelazione, il dosaggio e la pressatura a sinterizzazione di polveri. L'azienda ha una lunga tradizione nell'handling innovativo delle polveri e nella tecnologia di sinterizzazione. In questo modo, i nuovi metodi di produzione possono essere immediatamente implementati nelle macchine necessarie. Al centro del processo di produzione ci sarà lo sviluppo di impianti di sinterizzazione innovativi FAST / SPS. Dr. Fritsch, con oltre 1000 impianti di sinterizzazione installati, è il principale produttore mondiale di queste macchine FAST / SPS.

Transizione dolce invece di confini rigidi

Una sfida particolare nella produzione di batterie a stato solido sono i passaggi tra i materiali: i confini netti tra gli strati della batteria possono portare a una cattiva conduttività degli ioni. A causa di diverse dilatazioni termiche, può addirittura verificarsi una rottura lungo i confini tra gli strati.

La soluzione: confini fluttuanti. »Sappiamo dagli esperimenti di laboratorio che le tensioni possono essere evitate attraverso transizioni graduali tra l'elettrolita ceramico e gli elettrodi«, riferisce Glanz. »Finora, tuttavia, non era chiaro come realizzare tecnicamente queste transizioni di tensione ridotta.«

L'obiettivo del progetto EMSig è costruire un impianto dimostrativo in cui le batterie a stato solido siano composte da sottili strati di polvere omogenei, stratificati e sinterizzati, con la composizione della polvere che cambia ad ogni strato: ad esempio, nella transizione tra elettrodo e elettrolita, si aggiunge progressivamente più polvere di ceramica – 25, 50, 75 e infine 100 percento.

In due anni, l'intero processo di produzione dovrebbe essere sufficientemente maturo per essere utilizzato dall'industria su larga scala nella produzione di batterie. Il progetto EMSig è sostenuto dal Land Baden-Württemberg con 1,164 milioni di euro.

Scheda informativa

Progetto: »Ricerca di nuove tecnologie di miscelazione e sinterizzazione per elettroliti ceramici a gradiente (EMSig)«
Partner del progetto: Dr. Fritsch GmbH & Co KG, Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Durata del progetto: dal 15.9.2021 al 14.9.2023
Finanziamento: 1,164 milioni di euro
Fondo di finanziamento: Land Baden-Württemberg
Numero di riferimento: BW1_0163/03